Остаточные напряжения.-1

ний. Здесь повышение предела выносливости при накатке может составить 100...150%.

Обкатка роликами и обдувка дробью особенно эффективны при наличии концентрации напряжений (галтели, отверстия, ка­ навки и т.п.). В этом случае повышение усталостной прочности, при оптимально выбранной технологии наклепа, может доходить до 50... 150%. Экспериментально установлено, что эффект накле­ па поверхности сказывается в наибольшей степени для сталей с повышенной твердостью (при одной и той же глубине наклепа).

Повышение усталостной прочности при наклепе поверхности объясняется двумя основными причинами: благоприятным влияни­ ем сжимающих остаточных напряжений и улучшением механиче­ ских свойств поверхностного слоя в результате наклепа.

Здесь следует учесть, что поверхностный слой детали обычно ослаблен из-за наличия микроконцентраторов напряже­ ния, структурных и фазовых изменений, изменений по химиче­ скому составу. Ослабление поверхностного слоя может быть связано с наличием остаточных напряжений от механической или термической обработки.

В этих случаях обкатка или обдувка дробью поверхности Дает существенное возрастание усталостной прочности даже для гладких образцов. Упрочнение поверхности происходит за счет создания сжимающих остаточных напряжений, повышения пре­

дела текучести (и, следовательно, предела выносливости) после пластической деформации и устранения источников концентра­ ции в виде рисок.

При термической обработке в детали, особенно в ее по­ верхностных слоях, создаются остаточные напряжения. Экспе­ риментальные исследования показали, что сжимающие остаточ­ ные напряжения после термообработки повышают предел вы­ носливости детали. Для гладких образцов это повышение со­ ставляет 10-30%, для образцов с надрезом 50-80%.

Сжимающие остаточные напряжения могут быть созданы путем быстрого охлаждения после нагрева до температуры ниже критической (например, при нагреве конструкционных сталей до температуры 600° и охлаждении в воде).

При закалке с нагревом ТВЧ в поверхностных слоях соз­ даются сжимающие остаточные напряжения. Их благоприятный эффект особенно сильно сказывается для деталей с концентрато­ рами напряжений и для деталей с посадками с натягом (предел выносливости повышается на 70...200%).

В зонах, где наблюдается обрыв закаленного слоя (напри­ мер, в галтелях шеек коленчатых валов), возникают остаточные напряжения растяжения, и усталостная прочность этих мест уменьшается на 20-30%. Указанные зоны при поверхностной

закалке для деталей с высоким уровнем переменных напряжений следует упрочнять.

Остаточные сжимающие напряжения образуются при цемен­ тации и азотировании. Эти процессы обычно повышают усталост­ ную прочность, что объясняется также и повышением предела вы­ носливости поверхностного слоя при увеличении его твердости.

Процесс цементации часто используется для повышения выносливости и износостойкости зубьев ответственных шесте­ рен при контактных напряжениях.

Следует, однако, иметь в виду, что при цементации и азо­ тировании формируется очень твердый и хрупкий поверхност­ ный слой, который может получить растрескивание при дейст­ вии значительных статических нагрузок. В этом случае устало­ стная прочность детали резко снижается.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что дробеструйная обработка после цементации и азотирования не обеспечивает дальнейшего повышения прочности при пере­ менных напряжениях. Однако такая обработка в некоторых слу­ чаях может быть полезна для устранения растягивающих оста­ точных напряжений и дефектов после шлифования.

Остаточные напряжения в поверхностных слоях образуют­ ся также при гальванических покрытиях.

При никелировании возникают растягивающие остаточные напряжения, и пределы выносливости материала деталей умень­ шаются обычно на 10...30%, причем большие значения относятся к сталям повышенной прочности.

Несколько меньшие снижения пределов выносливости по­ лучаются при хромировании и омеднении. При цинковании ус­ талостная прочность не меняется, при кадмировании — несколь­ ко возрастает. Однако для деталей, работающих при больших нагрузках и температуре больше 200° С, кадмирование исполь­ зовать нельзя, так как наблюдается резкое понижение прочности из-за эффекта Ребиндера.

Сварные соединения при достаточной пластичности основ­ ного металла и шва не понижают статической прочности конст­ рукции, однако оказывают отрицательное влияние на ее вынос­ ливость.

Растягивающие остаточные напряжения после сварки (кон­ центрация напряжений, вносимая сварным соединением) суще­ ственно понижают усталостную прочность. Это затрудняет ис­ пользование обычных методов сварки для ответственных соеди­ нений, подвергающихся действию высоких переменных напря­ жений. При действии статических напряжений или небольших переменных условия для использования сварных соединений бо­ лее благоприятны.

На оснований результатов экспериментальных исследова­ ний и практического опыта установлено, что сжимающие оста­ точные напряжения повышают усталостную прочность, тогда как растягивающие остаточные напряжения действуют неблаго­ приятно.

Влияние остаточных напряжений на выносливость зависит от механических свойств материала и характера напряженного состояния. При значительных сжимающих напряжениях в по­ верхности увеличение усталостной прочности проявляется в большей степени для менее пластичных материалов и при кон­ центрации напряжений.

При резком изменении величины и знака остаточных на­ пряжений в поверхностном слое, что свойственно некоторым ви­ дам механической обработки, фактором, определяющим устало­ стную прочность материала детали, являются остаточные на­ пряжения в поверхностном слое на глубине 10...20 мкм.

Следует иметь в виду, что влияние остаточных напряжений на выносливость может не проявляться, если в процессе нагру­ жения имелось хотя бы несколько циклов повышения напряже­ ний, при которых возникают пластические деформации, сни­ мающие остаточные напряжения.

6.3. Влияние остаточных напряжений на износостойкость, сопротивление коррозии и точность изготовления детали

Остаточные напряжения в детали могут возникнуть как при ее изготовлении (первичные), так и в процессе эксплуатации (вторичные напряжения). В зависимости от условий эксплуата­ ции деталей (величины нагрузки, температуры нагрева и среды) первичные остаточные напряжения релаксируются и перерас­ пределяются. Термодинамическая неустойчивость остаточных напряжений затрудняет установление зависимостей эксплуата­ ционных свойств от величины, знака и характера распределения этих напряжений в детали.

Износостойкость. Устойчивость остаточных напряжений в процессе изнашивания зависит в основном от величины остаточ­ ной деформации в поверхностных слоях трущейся пары, опреде­ ляющей упругий, упруго-пластический или пластический кон­ такты пар трения.

При упругом контакте трущихся поверхностей напряжения в выступах обычно не превышают предела упругости. Это имеет место в случае контакта сравнительно гладких или малонагруженных поверхностей деталей, работающих в условиях полужидкостного трения.

Незначительное снижение остаточных напряжений наблю­ дается при нагружении до предела упругости (с остаточной де­ формацией до 0,005%). При нагружении до предела текучести (0,2%) напряжения уменьшаются примерно до 60%. При даль­ нейшем нагружении с остаточной деформацией до 0,5...1,0% ос­ таточный напряжения снимаются практически полностью. Одна­ ко после'разгрузки в этом случае возникают вторичные остаточ­ ные напряжения, обусловленные неоднородностью пластической деформации по глубине поверхностного слоя.

Экспериментально установлено, что первичные остаточные напряжения в трущихся парах сохраняются до тех пор, пока со­ вместное действие этих напряжений и напряжений от внешней нагрузки не выходит за предел упругого сопротивления, обу­ словленного очень малой допускаемой величиной остаточных деформаций. Начало появления пластической деформации в по­ верхностных слоях сопряженных деталей зависит от характера распределения первичных остаточных напряжений и величины номинальных напряжений. Если результирующая эпюра напря­ жений при наложении остаточных напряжений на напряжения от внешней нагрузки будет характеризоваться уменьшением мак­ симальных напряжений, то в этом случае остаточные напряже­ ния, увеличивая запас прочности в упругой области, повышают износостойкость трущейся пары, и, наоборот, увеличение ре­

зультирующих максимальных напряжений, по сравнению с ве­ личиной напряжений только от внешней нагрузки, приводит к отрицательному влиянию остаточных напряжений. Таким обра­ зом, в условиях полужидкостного трения, когда напряжения не превышают предела упругости (упругий контакт поверхностей), остаточные напряжения могут оказывать влияние на износостой­ кость деталей.

Остаточные напряжения сжатия повышают износостой­ кость, а растягивающие напряжения — снижают ее. При упруго­ пластическом контакте пар трения, когда в поверхностных слоях возникают пластические деформации, интенсивность и характер износа деталей не зависит ни от величины, ни от знака первич­ ных остаточных напряжений.

В условиях пластического контакта пар трения первичные остаточные напряжения не влияют на износостойкость поверх­ ностного слоя деталей. Они уже в начальной момент изнашива­ ния деталей снимаются протекающей пластической деформаци­ ей, и в поверхностных слоях трущейся пары возникают новые, вторичные остаточные напряжения. Величина, знак и характер распределения вторичных напряжений определяются условиями изнашивания и свойствами трущихся материалов, независимо от начального состояния поверхности.

Сопротивление коррозии. Коррозионная стойкость дета­ лей в зависимости от вида коррозии оценивается или уменьше­ нием веса металла с единицы площади, или уменьшением ли­ нейных размеров за единицу времени.

Различают два основных вида коррозии: химическую и электрохимическую. Исследованиями установлено, что остаточ­ ные напряжения ускоряют процессы коррозии. При этом боль­ шинство авторов считает, что сжимающие напряжения снижают интенсивность процесса коррозии. Однако шероховатость по­ верхности и деформационное упрочнение металла поверхност­ ного слоя являются более существенными факторами, влияю­ щими на интенсивность процессов коррозии. Коррозионная стойкость резко снижается с увеличением шероховатости по­ верхности и наклепа.

Точность деталей. Одной из причин преждевременной по­ тери деталями машин первоначальной точности является дефор­ мация (коробление) их, вызываемая релаксацией технологиче­ ских остаточных напряжений. Возникшие в детали остаточные напряжения не остаются постоянными с течением времени. Вы­ званные этими напряжениями упругие деформации постепенно самопроизвольно переходят в пластические, сопровождаемые частичным или полным снятием первичных напряжений.

Неравномерность протекания релаксации напряжений из-за различной величины остаточных напряжений в различных уча­ стках деталей изменяет соотношение между напряжениями, вы­ зывая упругую деформацию детали и изменение ее геометриче­ ской формы и размеров детали. Внешние нагрузки и нагрев де­ талей в условиях эксплуатации ускоряют процессы релаксации напряжений и могут вызвать дополнительные деформации.

Следовательно, надежная стабилизация геометрической фор­ мы деталей может быть обеспечена исключением деформации как от остаточных напряжений, так и от напряжений, вызываемых внешними нагрузками. В практике машиностроения для этой цели используются различные технологические процессы: естественное и искусственное старение, вибрационное старение и др.

6.4. Наибольшая величина и релаксация

остаточных напряжений

Рассмотрим вопрос о предельной величине остаточных напряжений. Примем для простоты, что кривая деформирова­ ния, не имеет упрочнения (рис. 1.2, а). Будем исходить из того, что остаточные напряжения возникают в результате необрати­ мых объемных изменений в детали.